煤礦應(yīng)急救援潛水電泵現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究

王 磊

(安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司，北京 100013)

水害是煤礦“五大”災(zāi)害之一，在重特大事故中僅次于瓦斯事故[1]。近年來，隨著我國(guó)煤礦開采向深部不斷延深，受水害的威脅日趨嚴(yán)重，煤礦水害事故因排水設(shè)備大而笨重、可靠性差、事故現(xiàn)場(chǎng)安裝不及時(shí)等影響事故救援工作的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，引起各方的高度關(guān)注和重視。針對(duì)我國(guó)煤礦應(yīng)急救援潛水電泵重量和體積大、適應(yīng)性不強(qiáng)、可靠性和配套性差等問題，研究攻克設(shè)計(jì)、材料、關(guān)鍵部件技術(shù)瓶頸，降低重量、減小體積、提高可靠性和可移動(dòng)性，將有效提升煤礦水害應(yīng)急救援排水能力，為煤礦安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1 煤礦應(yīng)急救援潛水電泵現(xiàn)狀

煤礦潛水電泵作為機(jī)電一體化新型排水設(shè)備，按照用途及潛水深度分為淺潛水電泵、應(yīng)急潛水電泵和強(qiáng)排系統(tǒng)用潛水電泵[2]。淺潛水電泵潛水深度不超過5m，主要用于采掘工作面、巷道井底水渦排水，煤礦受水淹災(zāi)害后的搶險(xiǎn)排水或復(fù)礦排水等井下排水。應(yīng)急潛水電泵和強(qiáng)排系統(tǒng)用潛水電泵潛水深度5～70m，應(yīng)急潛水電泵主要用于水害初期搶險(xiǎn)救援。強(qiáng)排系統(tǒng)用潛水電泵井上獨(dú)立供電，可作為主排水設(shè)備工作，同時(shí)也是水害救援和礦井恢復(fù)的重要排水設(shè)備。

1.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)取得煤礦用潛水電泵安全標(biāo)志證書的企業(yè)共50余家，獲證產(chǎn)品的流量10～1500m3/h、揚(yáng)程10～1700m、功率1.1～5000kW，電壓等級(jí)為380V、660V、1140V、6kV和10kV，產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)、種類繁多，基本滿足了煤礦安全生產(chǎn)需求。生產(chǎn)煤礦用潛水電泵主要參照?qǐng)?zhí)行《煤礦用隔爆型潛水電泵》(MT/T 671—2005)[3]、《井用潛水異步電動(dòng)機(jī)》(GB/T2818—2014)[4]、《爆炸性環(huán)境設(shè)備》(GB/T 3836—2021)[5]、《潛水電泵 試驗(yàn)方法》(GB/T 12785—2014)[6]、《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》(GB/T 1032—2012)[7]等標(biāo)準(zhǔn)。淺潛水電泵和應(yīng)急潛水電泵生產(chǎn)企業(yè)以小型私營(yíng)企業(yè)為主，設(shè)計(jì)研發(fā)能力不強(qiáng)、生產(chǎn)設(shè)備比較落后、員工素質(zhì)偏低，產(chǎn)品質(zhì)量整體水平不高；強(qiáng)排系統(tǒng)用潛水泵制造企業(yè)的生產(chǎn)、檢驗(yàn)?zāi)芰σ呀咏鼑?guó)際水平，但產(chǎn)品可靠性與使用壽命落后于國(guó)際先進(jìn)水平。

1.2 使用現(xiàn)狀

我國(guó)具有煤礦排水設(shè)備和排水能力的救援隊(duì)伍，主要集中在23個(gè)國(guó)家礦山應(yīng)急救援隊(duì)、36個(gè)地方礦山應(yīng)急救援隊(duì)及部分煤礦專業(yè)排水站。此外，一些煤礦也配備了潛水電泵及配套裝備，一旦發(fā)生水災(zāi)，及時(shí)安裝投入使用。目前，國(guó)家礦山應(yīng)急救援隊(duì)配備潛水電泵約300臺(tái)，揚(yáng)程100～1000m；地方礦山應(yīng)急救援隊(duì)配備潛水電泵300余臺(tái)，揚(yáng)程100～800m；煤礦專業(yè)排水站配備潛水電泵近100臺(tái)，揚(yáng)程100～800m。據(jù)調(diào)查，全國(guó)約有962處煤礦配備了潛水電泵2503臺(tái)，其中，揚(yáng)程小于150m占57.97%，揚(yáng)程大于600m占4.71%[8]。

1.3 技術(shù)現(xiàn)狀

1)基本原理。利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)第一級(jí)葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，通過第一級(jí)導(dǎo)葉使水產(chǎn)生勢(shì)能、形成壓力，再經(jīng)過第二級(jí)葉輪提高勢(shì)能、增加壓力，逐級(jí)遞增。水從進(jìn)水節(jié)進(jìn)入，通過第一級(jí)葉輪進(jìn)口，經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)加壓后從葉輪出口切向流出，進(jìn)入導(dǎo)葉后使水有序流向下一級(jí)葉輪進(jìn)口，最后一級(jí)經(jīng)導(dǎo)葉后流向泵出口流出。

2)運(yùn)行工況特點(diǎn)。煤礦水害應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件復(fù)雜，井下正常供電系統(tǒng)可能已經(jīng)癱瘓，而且潛水電泵安裝受水害現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制。潛水電泵在深水中運(yùn)行，水位變化大，當(dāng)水位下降時(shí)，泵的揚(yáng)程逐漸增加，要達(dá)到預(yù)期排水效果，需按最高揚(yáng)程配置潛水電泵，而搶險(xiǎn)開始排水時(shí)的揚(yáng)程很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離高效區(qū)運(yùn)行，并且電機(jī)輸入功率很大，電機(jī)運(yùn)行電流遠(yuǎn)大于額定電流，要求電機(jī)超負(fù)載正常運(yùn)行。煤礦水害發(fā)生后，水流沖擊流動(dòng)攜帶大量煤、泥、沙石和各種雜物，有時(shí)會(huì)有溫度異常、腐蝕性等危害特征[9-11]。

3)技術(shù)特點(diǎn)。應(yīng)急潛水電泵及電機(jī)在深水中運(yùn)行，具備以下技術(shù)特點(diǎn)：應(yīng)急潛水電泵應(yīng)適合任何污水介質(zhì)，流道寬闊，避免堵塞；配用功率按1.5倍普通排水泵進(jìn)行配置，防止過載現(xiàn)象發(fā)生；電機(jī)殼體機(jī)械強(qiáng)度應(yīng)保證電機(jī)在深水中不受水的擠壓影響，能夠安全工作；確保轉(zhuǎn)子、軸承機(jī)械密封等運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)轉(zhuǎn)，深水狀態(tài)電機(jī)電磁性能及導(dǎo)電性能符合運(yùn)行要求；電機(jī)的電氣性能應(yīng)保證電機(jī)在深水中安全運(yùn)行，電機(jī)定子的絕緣電阻、繞阻耐高壓、匝間耐電壓、電機(jī)溫升等應(yīng)符合安全運(yùn)行要求；水泵部件的承壓能力應(yīng)符合泵揚(yáng)程要求，使用過程中不能發(fā)生泵泄漏。

4)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)驗(yàn)證方法。煤礦應(yīng)急潛水電泵生產(chǎn)、檢驗(yàn)主要參照標(biāo)準(zhǔn)中，MT/T 671—2005規(guī)定了礦用隔爆型潛水電泵的技術(shù)要求、檢驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等內(nèi)容，GB/T 2818—2014規(guī)定了潛水深度不大于70m的干式、沖水式等結(jié)構(gòu)型式的電動(dòng)機(jī)，GB/T 3836—2021規(guī)定了爆炸性環(huán)境電氣設(shè)備與元件的結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)和標(biāo)志要求，GB/T 12785—2014規(guī)定了潛水電泵性能試驗(yàn)和驗(yàn)收(或評(píng)定)方法，GB/T 1032—2012規(guī)定了三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要求與試驗(yàn)方法。

我國(guó)已建立了國(guó)家級(jí)潛水電泵性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)?zāi)芰β蔬_(dá)到5000kW，流量可達(dá)1500m3/h，揚(yáng)程可達(dá)2500m，排出壓力最大25MPa，并為大型立式潛水電泵專門建立15m試驗(yàn)深井，能夠滿足應(yīng)急潛水電泵各項(xiàng)目驗(yàn)證需求。但針對(duì)深水潛水電泵(潛水深度大于70m) 整機(jī)水壓試驗(yàn)仍然沒有有效可行的試驗(yàn)方法及試驗(yàn)裝置，僅僅依據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)其質(zhì)量的可靠性進(jìn)行簡(jiǎn)單的評(píng)判，未形成有效科學(xué)的可靠性評(píng)估方法[12]。

2 應(yīng)急救援潛水電泵存在主要問題

1)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)局限性。我國(guó)煤礦應(yīng)急救援潛水泵沒有專門的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范性技術(shù)文件，主要參照?qǐng)?zhí)行標(biāo)準(zhǔn)均有不同的局限性，MT/T 671—2005僅適用于潛水深度不超過5m的潛水電泵，而且規(guī)定的功率偏小(220kW以下)，電壓偏低(1140V及以下)，不能滿足現(xiàn)有產(chǎn)品生產(chǎn)、使用要求[13]；GB/T 2818—2014適用于功率500kW以下，電壓660V及以下的小型潛水電動(dòng)機(jī)，潛水深度不大于70m，不能滿足大型深水潛水電泵的要求；GB/T 3836—2021是我國(guó)修改采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)爆炸性氣體環(huán)境和爆炸性粉塵環(huán)境的電氣與非電氣設(shè)備，而潛水電泵基本上采用充水式(濕式)潛水電機(jī)，與標(biāo)準(zhǔn)不完全配套[14]；GB/T 12785—2014不適用于潛水深度大于5m的潛水電泵，與MT/T 671—2005的判定指標(biāo)有所不同；GB/T 1032—2012對(duì)礦用潛水電動(dòng)機(jī)的特殊特性沒有相應(yīng)檢驗(yàn)規(guī)定，如充水電機(jī)電磁線耐磨、承壓檢驗(yàn)要求、潛水電泵電纜要求等。

2)質(zhì)量重、體積大。受材料質(zhì)量與強(qiáng)度、電泵轉(zhuǎn)速、軸承質(zhì)量、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平等因素綜合影響，煤礦應(yīng)急救援潛水電泵存在質(zhì)量重、體積大、移動(dòng)安裝困難等問題[15，16]，特別是水泵安裝、運(yùn)輸受到水害現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境的限制，在救援過程中耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本，不能形成快速排水能力，從而措施了最佳救災(zāi)時(shí)間。

3)運(yùn)行效率偏低。應(yīng)急救援潛水電泵與正常排水電泵本質(zhì)區(qū)別在于工作穩(wěn)定性要求更高，水泵在高效區(qū)運(yùn)行屬于最佳工作狀態(tài)，煤礦水害搶險(xiǎn)過程中，水泵效率過低直接影響救援效果。我國(guó)潛水電泵受設(shè)計(jì)、加工工藝、機(jī)械磨損、介質(zhì)腐蝕、葉輪汽蝕等因素影響，水泵運(yùn)行效率偏低，對(duì)煤礦水害救援效果產(chǎn)生一定影響。

4)可靠性不高。應(yīng)急救援潛水電泵配用電動(dòng)機(jī)的功率不適應(yīng)救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，造成水泵使用不可靠，經(jīng)常出現(xiàn)過載問題。由于水害救援現(xiàn)場(chǎng)排送介質(zhì)變化幅度較大，潛水電泵配用電動(dòng)機(jī)必須加大配用功率系數(shù)，確保短時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)電機(jī)不超載。另外，潛水電泵救援過程中，往往超出工況條件使用，造成水泵啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)不可靠。

5)壽命較短。煤礦水害現(xiàn)場(chǎng)排水介質(zhì)復(fù)雜，含有煤渣、沙粒、污泥等雜質(zhì)，濃度變換不定。而且部分礦井由于巖層土壤原因，水中還含有酸性物質(zhì)，對(duì)應(yīng)急救援潛水電泵耐磨、耐腐性能要求較高。受設(shè)計(jì)、材料、制造、工藝等因素影響，我國(guó)應(yīng)急救援潛水電泵對(duì)各種水質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)性差，耐磨、耐腐蝕性差，使用壽命短[17，18]。

6)配套設(shè)備不齊全。潛水電泵的配套有動(dòng)力電纜、控制電纜、逆止閥、水管、出口閘閥、壓力表、流量計(jì)、啟動(dòng)柜、智能控制保護(hù)裝置設(shè)備、水位控制器等[19]。煤礦水害事故救援時(shí)，應(yīng)急救援隊(duì)伍從周邊救援隊(duì)或庫房中調(diào)用潛水電泵、排水管、電纜等配套設(shè)備，必要時(shí)需要搭建吊掛裝備，現(xiàn)場(chǎng)通過人工緊固螺栓實(shí)現(xiàn)法蘭對(duì)接，由于缺乏管路快速連接技術(shù)及裝備，連接一套管路需要一天半左右的時(shí)間，嚴(yán)重影響排水設(shè)備快速投入使用。

3 應(yīng)急救援潛水電泵發(fā)展趨勢(shì)

3.1 創(chuàng)新水泵設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

煤礦水害應(yīng)急救援中影響救援效率的因素主要包括電機(jī)、水泵和管路三個(gè)方面，以及這些設(shè)備的運(yùn)輸、連接、起動(dòng)和運(yùn)行是否便捷可靠。提高煤礦水害應(yīng)急排水效果，主要通過流道設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)、電機(jī)設(shè)計(jì)與管路配套等方面創(chuàng)新，不斷提升應(yīng)急救援能力。

3.2 應(yīng)急潛水電泵輕量化

加強(qiáng)煤礦應(yīng)急潛水電泵設(shè)計(jì)、新材料、效率、生產(chǎn)工藝、可靠性、穩(wěn)定性等方面的深入研究，提高我國(guó)煤礦應(yīng)急救援潛水電泵技術(shù)水平，研發(fā)適用于水害環(huán)境條件和特殊介質(zhì)的輕型小型應(yīng)急潛水電泵是必然趨勢(shì)。

3.3 應(yīng)急排水裝備配套性

提高應(yīng)急救援排水裝備的配套性，研究應(yīng)急排水配套管路的輕量化、適應(yīng)性及快速連接技術(shù)，提高煤礦應(yīng)急排水快速安裝的技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間完成安裝、快速移動(dòng)、快速排水，快速形成救援能力。

3.4 應(yīng)急潛水電泵智能化

研發(fā)應(yīng)急潛水電泵的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水泵的軟起軟停、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，并采集水泵的電流、有功、無功等信息瞬時(shí)變化情況，對(duì)水泵的堵轉(zhuǎn)、空轉(zhuǎn)等故障進(jìn)行保護(hù)；實(shí)現(xiàn)水泵根據(jù)水情變化自動(dòng)啟停、故障自動(dòng)診斷報(bào)警、遠(yuǎn)程控制等[20]。

3.5 應(yīng)急潛水電泵系列化

1)救援初期或水害嚴(yán)重階段，適合采用流量100～300m3/h、揚(yáng)程100～400m、功率200～400kW的中型潛水電泵。該類潛水電泵配用電壓一般為380V或660V或1140V，啟動(dòng)配電裝置簡(jiǎn)單(一個(gè)電控柜即可)，水害救援現(xiàn)場(chǎng)取電方便。

2)水害恢復(fù)階段，適合采用流量500～1000m3/h、揚(yáng)程500～1000m、功率2000kW左右的高壓大型潛水電泵。該類潛水電泵配用電壓一般為6kV或10kV，具有廣泛的適應(yīng)性，可以實(shí)現(xiàn)泵站自動(dòng)化和集中控制等。

3)救援末期階段(水害局部排污)，適合采用流量20～50m3/h、揚(yáng)程20～40m、37kW以下的小型潛水電泵。該類潛水電泵配用電壓一般為380V或660V，適應(yīng)排送巷道沉積的高濃度介質(zhì)。

4 重點(diǎn)攻關(guān)領(lǐng)域及技術(shù)

對(duì)我國(guó)潛水電泵現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展趨勢(shì)研究與分析，煤礦應(yīng)急救援潛水電泵重點(diǎn)攻關(guān)領(lǐng)域主要為中型水泵，即流量100～300m3/h、揚(yáng)程100～400m、功率200～400kW的潛水電泵，重點(diǎn)攻關(guān)領(lǐng)域及技術(shù)如下：

1)加快推進(jìn)煤礦應(yīng)急救援潛水電泵標(biāo)準(zhǔn)制訂工作，明確產(chǎn)品技術(shù)要求與檢測(cè)驗(yàn)證方法，規(guī)范統(tǒng)一產(chǎn)品要求，解決煤礦應(yīng)急潛水電泵無專用技術(shù)、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀。

2)過流部件的流道盡量設(shè)計(jì)寬闊，提高水泵運(yùn)行效率和介質(zhì)適應(yīng)能力，滿足對(duì)固體顆粒體積濃度大于10%的污水進(jìn)行抽排。

3)潛水電泵葉輪采用無過載設(shè)計(jì)，在整個(gè)水泵工作范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)流量、揚(yáng)程可在較大范圍內(nèi)變化，水泵功率不會(huì)超載，保證可靠運(yùn)行。

4)研制、選擇適用煤礦水害救援條件及滿足潛水電泵性能要求的新材料，提高水泵耐磨性、抗耐腐蝕能力、絕緣性能和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。

5)采用永磁電動(dòng)機(jī)或變頻技術(shù)，將水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速提高至3500～4000r/min，研制特種輕型電動(dòng)機(jī)，并解決提高轉(zhuǎn)速對(duì)水泵旋轉(zhuǎn)部件及軸承壽命的影響。

6)研制承壓能力高、重量輕、快速連接、互換性良好的配套管路，提高排水管路安裝效率。

5 結(jié) 語

隨著煤礦災(zāi)變條件下對(duì)高效應(yīng)急救援先進(jìn)設(shè)備的客觀需求，國(guó)家鼓勵(lì)礦用設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)積極投入新產(chǎn)品研發(fā)工作。本文提出應(yīng)急救援潛水電泵的發(fā)展趨勢(shì)和重點(diǎn)攻關(guān)技術(shù)，為礦用設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)研制適用于煤礦水害條件下的應(yīng)急救援輕型專用潛水電泵提供指導(dǎo)，促進(jìn)我國(guó)煤礦應(yīng)急救援潛水電泵的技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步提高煤礦水害應(yīng)急救援能力和水平。